黄土隧道支护设计与关键施工技术

黄土隧道支护设计与关键施工技术长安大学陈建勋教授2017全国桥梁与隧道建设关键技术创新成果研讨会1研究背景2黄土隧道变形规律3黄土隧道支护结构设计4黄土隧道施工技术5工程应用6结束语1研究背景

全世界黄土分布约有1300万平方公里，占陆地面积的9.3%。黄土分布黄土主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带，南半球分布在南美洲一些国家和新西兰。

中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，面积约64万平方公里。主要分布在陕西、山西、宁夏、甘肃、青海等五个省区。黄土地区沟壑纵横、梁峁起伏、地形条件复杂。交通建设必然会遇到大量的黄土隧道！黄土

(loess)是第四纪沉积物，与岩石地层相比，具有典型的工程特性。垂直节理发育、多孔、结构疏松、密度低，未扰动时强度较高，遇水易崩解、剥落，多具湿陷性。黄土分层及柱状节理发育黄土山体开裂马兰黄土球粒架空孔隙结构初期支护侵限，净空不足洞内坍塌地表开裂常见工程问题衬砌开裂极易侵限都是变形惹的祸！可见，岩石隧道的修建技术不完全适用于黄土隧道！浅埋时不易形成承载拱洞内塌方衬砌开裂（十黄九裂）地表开裂深埋扰动区域大初期变形速度快，变形量大二次衬砌施作时机不当控制变形黄土隧道变形规律基础施工锚杆的作用设计初期支护结构型式黄土隧道施工方法机理黄土隧道主要的研究问题2005年以来长安大学课题组长期致力于黄土隧道修建技术研究序号项目名称起止时间任务来源1黄土隧道支护设计与关键施工技术研究2005-2010陕西省交通运输厅2西部复杂环境条件下隧道洞口段设计施工综合技术研究2007-2011交通运输部3土质隧道不设系统锚杆的试验研究2008-2011黑龙江省交通运输厅4大跨度黄土公路隧道结构稳定性及控制技术研究2009-2015交通运输部5钢架喷网锁脚锚杆组合支护结构在黄土隧道的应用2010-2016陕西省交通运输厅6大西铁路客运专线马家庄隧道施工技术研究2011-2014企业委托7软弱围岩隧道锁脚锚杆（管）支护机理与力学特性研究2013-2016国家自然科学基金面上项目8黄土隧道修筑关键技术2014-2016陕西省科技厅9大跨度高含水率黄土公路隧道设计与施工综合技术研究2014-2016陕西省交通运输厅2黄土隧道变形规律

2005年对吴子高速公路32座黄土隧道两台阶法施工过程中的围岩变形进行了现场测试。（1）在黄土隧道台阶法施工过程中拱部沉降值远大于净空收敛值，并且开挖初期变形量约占总体变形量的60％-70％左右。因此，控制拱部沉降尤其是初期拱部沉降是确保隧道结构稳定的关键。两车道黄土隧道变形规律

（2）典型变形时态曲线拱部沉降时态曲线净空收敛时态曲线

从变形到稳定，黄土隧道的围岩变形大致经历了以下3个阶段：第一阶段是急剧变形阶段（开挖初期）第二阶段是持续增长阶段第三阶段即缓慢增长阶段

在黄土隧道变形持续增长阶段，二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，并及时进行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳定性。两车道黄土隧道变形规律

（3）测试数据回归分析典型拱部沉降实测与回归时态曲线对比黄土隧道围岩变形发展符合对数函数规律。由于对数函数具有发散性，故无法由此预估出围岩的最终位移。在已施作仰拱的情况下，变形速率显著变小。

分析发现两车道黄土隧道初期变形急剧，变形量大，拱部沉降大于净空收敛。揭示了黄土隧道变形规律。提出以钢架为主体的刚性支护理念。

拱部沉降值远大于净空收敛值初期变形急剧，变形量大控制早期变形刚性支护、仰拱及时施作等控制沉降变形锁脚锚杆、扩大拱脚等两车道黄土隧道变形规律第一阶段（急剧增加）第三阶段（扩张变化）洞口浅埋段双侧壁导坑法三车道大跨度黄土隧道变形规律洞口浅埋段双侧壁导坑法RK27+089.6断面右导洞净空收敛时态曲线2009年在墩梁隧道（世界上开挖跨度最大的黄土公路隧道）埋设了22个变形监测断面，48条测线，166个测点，测试长达10个月，获得数据数万组。第二阶段（趋于平缓）

（1）隧道洞口浅埋段（双侧壁导坑法）RK27+076.3断面右导洞沉降时态曲线右导洞（先行导洞）的最大收敛值大于左导洞，两者远大于主导洞。右导洞（先行导洞）的沉降值大于左导洞，两者远大于主导洞。符合反正切函数三车道大跨度黄土隧道变形规律洞身深埋段三台阶法LK26+233断面拱部沉降空间曲线

（2）隧道洞身深埋段（三台阶法）

LK26+264断面净空收敛空间曲线LK26+233断面拱部沉降空间曲线

上台阶处收敛速率比最大开挖线处快，最大开挖线处的最终收敛值约为上台阶处的3倍左右。

随着掌子面距离增大，拱部沉降值持续增大，增速放缓。三台阶法施工隧道沉降曲线符合反正切函数。3黄土隧道支护结构设计黄土隧道支护结构的思考

20世纪70年代至80年代末，主要为单线铁路隧道。★大量的试验研究结果表明，锚杆在喷锚支护结构中起着重要作用。★复合式衬砌代替了以往的整体式衬砌跨度小，断面小初期支护：锚杆+喷射混凝土+钢筋网

20世纪90年代以来，大断面隧道和复杂地质情况增多，软岩隧道初期支护结构增设了钢架，隧道初期支护由钢架、喷射混凝土、钢筋网和系统锚杆组成。黄土隧道支护结构的思考二次衬砌防水层钢架钢筋网喷射混凝土系统锚杆

在钢架条件下系统锚杆支护效果如何？有两种观点：作用不大，可以取消；有重要作用，理应设置。无系统研究。在学术界和工程界存在很大争议1引言随着功我国士公路誉隧道董建设匠的发泡展，灶隧道傻修建莲的规不模越油来越防大，剂有时只还会厉遇到成穿越晋高含劣水量福粘性伤土隧胀道。滔然而饶对于端高含愤水量纵粘性呀土，背其内代摩擦善力小氧、强浆度低耽、可布塑性睡强，撞所以估在施很工过绕程中岔易发尊生安冬全事绵故。擦但由隙于高季含水搬量粘窄性土醋隧道仪在国互内所概遇不日多，危其配忙套的后支护卸技术潜并不慢完善禽，所伪以如筝何采跌取恰惜当的衬支护搜技术倡，将垃成为技隧道扩界研嗓究的业问题框。目前,《建筑地记基基础坏设计规熟范》(GB问50装0-妄07迹-2众00闹2)规定塑竞性指数IP>1跃0的细益粒土只为粘统性土;《公路虽土工汇试验悦规程》（JTG膊E4限0-2治007）则规若定塑性发指数IP≥0.名73(撕wL-20洗)及IP>4时的细嫌粒土为叼粘性土梢，这一脾划分标浅准基本炮上与英鸟、美、阔德、日撕等国长段期采用黄的卡氏彻（Cas犬agr鞋and素e）塑性集图分类抗法相同稳。隧道歌洞口祖段浅扬埋偏卖压，冷系统鲜锚杆博穿出隧道洞跃口段浅隔埋偏压策，系统钞锚杆穿宝出隧道洞文口段浅乌埋偏压底，系统而锚杆穿穷出（1）黄土隧鄙道支护椅施工工夫序开挖少→初静喷射灭混凝椒土→计立钢性架→廊挂设统钢筋完网片葡→安阿设锚队杆→砖喷射汉混凝董土达蜜到设列计厚美度安设点锚杆痒在架曾立钢啄架之驳后，钩所以菌钢架循对围庙岩变玻形的描制约面，必汪然会宾影响侄到锚直杆作搏用的育发挥拘。黄土根隧道委支护恶结构刻的思嘴考——施工召存在风的问展题锚杆纹不能黎及时桑径向栏施作允，发洁挥不扣了锚滑固作范用。（2）黄土隧这道施工只多采用炎分部开暂挖，施歼工场地积狭小。黄土结隧道长支护扛结构状的思势考——施工位存在裤的问调题（3）在黄涨土中侧锚杆离施工怒成孔脱困难引，注诊浆不偶易，叠影响仗工程累进度雀。黄土帐隧道摊支护室结构称的思茧考——施工存厉在的问色题锚杆受形力的计签算分析龙难度很细大，往劫往人为到地假定礼锚杆支引护的效反果提高漠了围岩孙的弹性剑模量E，黏聚附力c和内养摩擦夏角。这在率黄土中拼并不是璃很合理坐，相反虚往往由惑于打入圈了锚杆猜反而破万坏了黄携土的结驴构，降壳低了围祸岩的强吼度和稳背定性。（与岩梅石是有挥区别的帽）黄土隧况道支护委结构的冒思考——理论计善算存在抓的问题200银5年在吴舅子高速甜公路32座黄土胁隧道现涝场埋设雀了11个测痰试断闪面，破埋设景测试矮元件98瓶0多个，侧测力锚纵杆47根。首次对汗两车道堡黄土隧零道有、希无系统询锚杆条晕件下的冠结构力脸学状态冶和稳定停性进行杯了现场穴对比测木试及分啄析，结束果发现述拱部腥系统脑锚杆剧受压，锁贷脚锚凤杆（镰管）零对控晃制隧虫道沉驳降作炒用明磨显。偶表明假系统森锚杆眯在黄蜡土隧庄道中庄支护绢效果献不显桂著。提出遇采用“钢征架+喷射混击凝土+钢筋网+锁脚量锚杆顽（管折）”步的新言初期暂支护察结构计型式馆，即垫取消朽系统捆锚杆刺，增吨加锁锄脚锚傻杆莲。岩石隧侨道中锚鼻杆作用欲机理对现场器测试发嫁现的拱菌部系统登锚杆受却压问题镜，从土恢体的变贪形和锚漠杆与土穴体的锚颜固效果表两方面副分析了扬黄土隧滚道拱部奶系统锚庄杆的作鹿用机制鞋。悬吊湿作用加固围少岩支承漫围岩组合抹梁★钢架架歪设在围僵岩外侧吴，发挥盆被动支黄撑作用阔，属于虏外承式决，而锚觉杆伸入滋围岩内铺部，利荐用围岩确承载力晃，主动盐加固围房诚岩，属赚于内承帜式，二降者支护蠢机理截泛然不同扇。★浅埋黄巨土隧道梯拱部发立生了整猪体沉降制，锚杆俯并不存棕在锚固苹段。★深讨埋黄土板隧道开物挖后土师体产生涉了较大裕塑性区痰，目前岸短而密探的系统崇锚杆也判不存在肢锚固段看。★汪锚杆诞与土字体采束用水岭泥砂已浆或躺药卷屋式锚尝固剂包粘结娃效果快差，罩黄土值隧道浩锚杆爬锚固黄力很携小。★富锚杆踩锚固转于初但期支抄护上爽，拱疫部系屠统锚止杆受航到了齿土体肾向下拾的摩铜阻力忠，相叹当于饺桩承药受负帆摩阻论力，诵因而防拱部执系统职锚杆惨受压仓。黄土隧垄道中锚钢杆作用举机理锚杆任作用醒机理悬吊作犁用加固围秒岩支承悼围岩组合病梁刚架作恐用机理①加强孩限制民围岩参变形②作伙为超尽前支液护的妄后支倚点③承受扮部分松趁弛荷载锚杆卷是伸堆入到添围岩疤内部两，产踢生相赵对位立移，贸利用逐围岩蛇自承岔能力辞。主因动加患固围惩岩钢架架评设在围庭岩外侧被动支梨撑作用两者对走隧道支杠护的机员理截然栽不同系统意锚杆下的作淘用机扇制系统锚栗杆的作抚用机制锚杆镇作用拨示意娱图锚杆起卸到锚固器作用的2个前械提条脸件：锚杆与享围岩要乖有良好冶的相互午黏结有锚净固段黄土疑隧道悠锚杆辛拉拔燃力很喊小，立往往眠只有20运~3屠0k御N。锚固效汤果差！浅埋黄颂土隧道民，地表金会产生乡丰沉降或杂裂缝，凶拱部会穴发生整罢体沉降嘉。拱部矿系统锚邮杆不存间在锚固邮段。浅埋卸黄土其隧道晨地表禁产生状沉降系统锚康杆的作透用机制深埋大赶跨度黄慌土隧道兴，开挖芝后土体姥产生了局较大松让动区。讲目前以“短而蚊密”为醉设置原酬则采用值的系妄统锚冲杆，狸并未店穿过卧松动问区。责锚杆教亦不盯存在确锚固犬段。深埋四大跨糟度黄跳土隧概道产凯生松求动区系统冤锚杆稍的作部用机戒制黄土隧顿道开挖敞后，周罪围土体传要产生蝴变形，液主要包携括：（1）应壤力释平放和刃土体绳扰动文引起厨的弹招性、惜塑性恼和松锦动变笛形；（2）初期愿支护背鼻部因回寒填不密紫实而诱尺发的土婚体沉降拉；（3）采用互型钢钢别架支护生后，其牙背部因适喷射混霉凝土无设法喷到仔位而诱敞发的土适体沉降艰；（4）施工冶扰动土伟体后期屠产生的淋压密沉即降；（5）地良下水潜位线并以下嗽的隧桌道，色因开猪挖而聚引起么的水搅位下垃降，孟使部缘瑞分饱泥和土滑体变书为非袍饱和盈的欠崇固结河土，爷从而耕引发贡次固往结沉租降。系统锚捉杆的作崖用机制在初期旷支护施切作后，愤相对于缘瑞土体的镰后续变户形，锚描杆是固咱定不动毒的，所秧以在浅丽埋黄土醒隧道或列塑性区割大的深莫埋黄土裁隧道，室拱部系圾统锚杆凭受到了忙土体向愤下的摩未阻力，相当于唯桩承受岛负摩阻望力，因针而拱部喘系统锚袍杆受压决。系统锚窃杆的作袋用机制锁脚砍锚杆灵的作许用机塞制锁脚锚旁杆（管击）稳定慎钢架示农意图黄土隧趟道采用胀台阶法硬施工，害下半断匀面开挖电时，钢仓架接头问处于悬泰空状态费，锁脚委锚杆贯（管食）使迈钢架返在整吹个下攻半断化面开兴挖和共钢架唤安设领过程冷中始逐终处避于稳摇定状勺态。上台法阶开帖挖下台射阶开坟挖打设枪锁脚现锚杆摩（管直）锁脚锚窗杆的作拴用机制钢架受命力简化础图采用沙结构牌力学煎和弹炕性地划基梁施的方缸法，支建立驴钢架镰和锁桥脚锚派杆力效学计销算模丧型。拱脚的节弯矩拱脚的趁剪力拱脚矩的轴姜力锁脚撑锚杆裕的作恶用机穴制锁脚宗锚杆腥受力缎简化劣图锁脚排锚杆亮剪力弦和弯近矩分助析图微分方茫程式：围岩中饭锚杆体似的竖向阔变形、仗转角、弯矩、剪力的表悬达式虏：建立拱部系统锚杆受压模型钢架锁脚锚杆（管）荷载传递模型提出拱部系统锚杆力学分析方法锁脚锚杆（管）力学计算方法（弹性地基梁微分方程）揭示锚杆受压机制钢架锁脚锚杆（管）共同作用机理理论成果黄土隧道拱部系统锚杆受压发现技术焰创新创建了黄土隧道初期支护组合结构新型式钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆（管）拱部锚杆作用不显著★学术钱价值挖：提出的肤以钢架须为主体赠的黄土作隧道刚妈性支护月理论，帆突破了以喷壳锚为虚主体均的柔穿性支肿护岩攻承理芳论。★实践舟意义妖：减少哈了工爷序，叼加快良了进展度，糊提高垫了安采全性栽和结猫构稳码定性尘，显著辉降低壶了工半程造庆价。公路隧捧道设计寻规范（JT屯G姥D7睛0-棋20任04）（第歪条）铁路页隧道丹设计凉规范就（TB1骗000汽3-2旁005易J4妨49-彩200治5）（第着条）日本、诊欧美等尼国家软医弱地层绍隧道中突破了耽现行国流内外设医计规范小！传统衬卖砌结构抚型式新的衬隔砌结构颠型式4黄土游隧道露施工钳技术根据黄揉土的特失性和黄棍土隧道舅变形规众律，提出了绑“快挖联、快支管、快封造闭，二首次衬砌杆仰拱、纷边墙基滋础紧跟支，二次检衬砌适颠时施作封”的施脊工原则炭。强调吹快速婚开挖农，快阳速施静作初虹期支近护，爹同时域要增碌设锁谷脚锚纵杆（罩管）既或扩盆大台诸阶拱看脚，停快速阵施作缓初期厚支护朝仰拱徐，尽估早施帽作二肺次衬值砌仰全拱及税边墙臭基础厉。当负初期餐支护伐变形疲过大穷时，磁应及吴时加凝强初填期支圣护或坊采取佩辅助洞加强危措施蒜。在危初期削支护鹅作用胆下，探围岩中基本百达到凯稳定工时施临作二达次衬腐砌。保障了随施工安盲全！保沈证了结非构稳定!加快郊了工讯程进加度!两车缠道黄嗽土隧颠道施接工技寒术每循环0.6采m，每南天可断完成2个循环，月最原高进度42轧m，月线平均争进度36笔m。双侧壁贿导坑法从控制探沉降、芳工期、往施工难马易程度桶和造价厉等方面以，对比练分析了驳多种施树工方法武，提出餐了大跨粘度黄土锣公路隧乎道洞口等浅埋段顺采用双硬侧壁导有坑法施状工，洞堪身深埋昏段采用架三台阶扑七步开纤挖法施驻工。三台冲阶七喝步开菜挖法每循筒环两榀，一顶榀0.7榴5m，26小时可以完转成两个菜循环，月豪最高漫进度80木m，月平买均进度76页m。大跨垫度黄腹土隧故道施泽工技奸术《公路隧犬道施工励技术规返范》（JT估J0寨42牌-9棚4）（贫第14狗.3条）《公路浩隧道潜施工墓技术朵规范》（JT姨G萌F6搅0-黑20秘09）（柱第16喇.3条）《铁路隧取道施工姻规范》（TB冻10幼20慕4-浮20挺02失J暂16族3-仪20秃02）《客运专蜘线铁路犯隧道工是程施工准技术指肯南》（TZ乖2仙14苏-2扮00均5）（第13计.9条）提出了挨黄土隧效道施工银原则和诊施工技委术指南以上规档范涉及胞黄土隧魄道的很自少，几诉乎为空木白。补充和醒完善了遣现行施萄工技术碗规范攻克了衫黄土隧角道变形殃大、易贴塌方、笑二次衬林砌易早咬期开裂会等技术僵难题。黄土拿隧道掘施工独技术5工程之应用该隧蚁道为荣上下蛛行分享离式纳，上访行线奥长16礼60膀m，下讨行线测长16手90戴m。天恒罗山隧匙道位叨于哈可尔滨画绕城蚕高速净公路（高含围水率黏花土隧道参）5工程隶应用5工程园应用最大霜埋深厉仅25m最大开菌挖宽度16笋.8蒙m，高12凑.1欲m，开挖面径积163旅m2可塑壮性强含水戏率高事达16影.6拿3％～30亚.9温0％三大工汤程难点浅然埋大跨纹、大宾断面高含水路率可塑黑性粘土成孔困系难注浆胖效果毒差抗拉酷拔力肺低高含僻水率亲粘性票土层扫中锚小杆施介工困个难高含水皆率粘性菠土层锚夏杆成孔裙试验有人形武象比喻剩在高含灭水量粘例土隧道掀中打设慨锚杆犹懂如“在婆豆腐里姑面插筷鸽子”，品支护作妈用不大挺。5工程应猴用原设计菠支护示露意图变更后侵设计示软意图隧道中心线行车道中心线2%型钢拱架防排水保温层（按4cm计）预留变形量二次衬砌C30钢筋混凝土25×5mm先锚后灌式注浆锚杆湿喷钢纤混凝土+Φ8焊接钢筋网（20×20cm）两层设计标高超前小导管防火涂层5工程应碰用200尸9